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PWM, Pulse Width Modulation
Pulsbreitenmodulation

copyright 2005: Claude Jacobs
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Unter Pulsbreitenmodulation (anlehnend an die engl. Abkürzung PWM auch oft Pulsweitenmodulation genannt) versteht man das Einwirken auf die Dauer der Phasen eines Rechtecksignals. In vielen Schaltungen bleibt die Frequenz dabei unverändert, demnach beeinflußt die Modulation also meist nur das Verhältnis (duty cycle) von High- und Low-Zeit. Gleichbedeutend entspricht das grafisch der horizontalen Verschiebung einer Flanke (siehe nebenst. Zeichnung).


Heutige Servosteuerungen (z.B. Funkfernsteuerungen) arbeiten häufig nach diesem Verfahren: die erwünschte Position wird vom Sender als Rechtecksignal mit entsprechender Pulsbreite übertragen. Empfängerseitig erzeugt die aktuelle Position eines Reglers ebenfalls ein Rechtecksignal mit einer bestimmten Pulsbreite. Weichen beide voneinander ab, dann startet der Servomotor in der betreffenden Richtung, verändert dadurch die Reglerposition (und damit die Pulsbreite des empfängerseitigen Generators), bis beide Signale übereinstimmen.

Die wohl häufigste Anwendung pulsbreitenmodulierter Generatoren ist die Steuerung (bzw. Modulierung) hoher Leistungen. Dabei setzt man meist Bipolar- oder MOSFET-Transistoren als schnelle Schalter ein. Die Impulse schließen und öffnen die Transistoren in dem vorgegebenen Tastverhältnis. Je nach Tastverhältnis "wirkt" daher der Transistor -über einen längeren Zeitraum betrachtet- wie ein Widerstand. Der besondere Vorteil gegenüber Widerständen liegt jedoch darin, daß geschaltete Transistoren bei gleicher Leistung eine wesentlich geringere Wärmeentwicklung aufweisen. Die Schaltfrequenz spielt dabei eine eher unwesentliche Rolle und richtet sich meist nach der mechanischen bzw. elektrischen "Trägheit" des Verbrauchers (Lampen, Motoren, Heizungen, Transformatoren usw.), so daß die eigentlichen Schaltimpulse nur einen vernachlässigbar störenden Einfluß auf den Verbraucher ausüben. Die Frequenz reicht von einigen hundert Hertz (z.B. Geschwindigkeitsregler in Bohrmaschinen, Frequenzumrichter usw.) bis zu mehreren hundert Kiloherz (in Computer-, Fernseh-, Videonetzteilen usw.). Häufig wird die Frequenz in den Ultraschallbereich verlegt, um lästige "Pfeifgeräusche" im Verbraucher zu vermeiden.

PWM-Oszillatoren
Mit Digitalbausteinen oder Operationsverstärkern lassen sich in der Breite regelbare Impulse leicht erzeugen. Im einfachsten Fall verändert ein Potentiometer das Verhältnis zwischen Lade- und Entladezeit eines Kondensators. In den hier gezeigten Schaltungen findet man auch stets das Diodenpaar, das den Lade- und Entladevorgang voneinander trennt. Verwendet man den CMOS-Inverter 4049, dann können die restlichen im gemeinsamen Gehäuse befindlichen Gatter zu einer Treiberstufe zusammengefügt werden (in Abb.1 grau eingezeichnet).


Abb.3 zeigt eine Variante, bei der drei Inverter an der Signalerzeugung beteiligt sind. Eine ungerade Zahl hintereinandergeschalteter Inverter sorgt einerseits für ein sicheres Anschwingen des Oszillators, und andererseits zeichnet sich diese Schaltung durch ihre Frequenzstabilität bei veränderlicher Betriebsspannung aus (siehe hierzu: Digitale Oszillatoren). Mit dem Präzisionstimer 555 lassen sich ebenfalls PWM-Oszillatoren aufbauen. Die TTL-Version enthält bereits eine leistungsstarke Gegentaktstufe, mit der die recht hohe Gatekapazität eines Power-MOSFET auch bei höheren Frequenzen noch recht sauber angesteuert werden kann.

Die nächsten Schaltungen zeigen Operationsverstärker, die als astabile Multivibratoren arbeiten. Prinzipiell unterscheiden sie sich nicht von der digitalen Variante, doch hat man hier die Möglichkeit, mit dem Verhältnis der beiden Widerstände R1 und R2 die Hysterese (= Differenz zwischen den beiden Eingangs-Schwellpotentialen) zu bestimmen. Bei höheren Frequenzen machen sich allerdings die typenspezifischen Eigenschaften der verwendeten Operationsverstärker recht schnell bemerkbar. Um Schwingungsneigungen entgegenzuwirken sind in vielen OPs bereits Kondensatoren mitintegriert, welche die Grenzfrequenz herabsetzen. Die entstehenden Verzerrungen beeinträchtigen vorwiegend die schnellen Flanken, so daß die Leistungstransistoren statt als verlustarme Schalter, zeitweilig als Widerstände arbeiten, was dann zu einer erhöhten Wärmeentwicklung führt. Ebenso muß darauf geachtet werden, daß ein LOW-Pegel tatsächlich die Transistoren zu sperren vermag (z.B. mit Rail-to-Rail OPs).


Spannungsmodulierte PWMs :
Die klassische Art, mit einer Spannung das Tastverhältnis zu beeinflussen (und damit eine Modulation zu ermöglichen), besteht darin, mittels eines Komparators ein Dreiecksignal mit der vorgegebenen Modulationsspannung zu vergleichen. Verändert man die Spannung am Kontrolleingang des Komparators, dann schaltet dieser bei einem anderen Wert der Dreieckspannung um. Wegen der Dreieckform verengen bzw. verbreitern sich daher auch dementsprechend die Abstände zwischen den Umschaltflanken am Ausgang des Komparators. Bei linearem Dreiecksignal ist das Tastverhältnis der am Komparator anliegenden Modulationsspannung proportional.


Typische Schaltungen mit Operationsverstärker zeigen Abb.8 und Abb.9. Der Dreieckgenerator erzeugt ständig eine lineare Dreieckspannung mit gleichbleibender Amplitude und Frequenz. Das dem Komparator zugeführte Modulationssignal muß natürlich innerhalb des Dreieckpegels liegen, damit ein Vergleich -und damit eine Modulation- überhaupt stattfinden kann. Bei unsymmetrischer Betriebsspannung (single supply) muß deshalb also auch das Modulationssignal den erforderlichen Gleichspannungsanteil aufweisen.

Zum besseren Verständnis der Gesamtschaltung sind die hier abgebildeten Dreieckgeneratoren in ihrer einfachsten Form dargestellt. Die Symmetrie der Flanken spielt zwar keine wesentliche Rolle (auch Sägezahn wäre geeignet), doch je nach Verwendungszweck kann es durchaus erforderlich sein, einige Parameter des Dreiecksignals zu verändern (Offset, Flankensymmetrie etc. Siehe hierzu einige Varianten: Dreieck-/Sägezahn mit OPs ).

In der nebenstehenden Abbildung ist der Komparator zu einem Schmitt-Trigger mit definierter Hysterese erweitert. Auf diese Weise lassen sich Einflüsse von unsauberen Dreiecksignalen oder sonstige Störungen reduzieren. Allerdings sollte dann der nicht-invertierende, an der Rückkopplung beteiligte und deshalb nunmehr niederohmige "flankenbehaftete" Eingang von einem einigermaßen stabilen Signal gespeist werden (wie eben hier vom Ausgang des Dreieckgenerators, und nicht etwa vom Modulationssignal).


Beispiel einer Leistungsstufe:
Die Schaltung in Abb.10 zeigt eine einfache, regelbare Leistungsstufe mit dem bekannten 555-Timer als Oszillator. Sein Signal steuert die Endstufe. Da MOSFETs sehr empfindlich auf Überspannungen (und nicht nur am Gate!) reagieren, sollte in jedem Fall eine Zenerdiode mögliche Spannungsspitzen unterdrücken. In diesem Beispiel wird außerdem der störende Rechteckanteil der Ausgangsspannung mit einer Ferritdrossel und einem Kondensator herausgefiltert. Die leistungsstarke Schottky-Diode (hier D3L60) leitet die an der Ferritdrossel -oder an der Induktivität des Verbrauchers- unweigerlich entstehenden Spannungsspitzen ebenfalls dem Ausgangskondensator zu. Sie unterdrückt damit einerseits die für den MOSFET gefährlichen Spannungsspitzen und nutzt andererseits die ansonsten kurzgeschlossene und damit verlorene Leistung.


Viele Leistungs-MOSFETs haben bereits eine antiparallele Freilaufdiode (hier in grau eingezeichnet) mitintegriert. Auch sie schützt den Transistor vor zerstörerischen Spannungsspitzen. Ist sie nicht vorhanden, dann sollte eine schnelle Schottky-Diode eingesetzt werden. Der ebenfalls hier eingezeichnete Spannungsregler ist zwar keine Notwendigkeit, erlaubt jedoch, die Schaltung mit höheren Spannungen zu betreiben, ohne dabei die zulässige Steuerspannung am Gate zu überschreiten. Und auch bei ausgangsseitigem Kurzschluß vermag der Oszillator wenigstens kurzfristig ungestört weiterzuarbeiten. Außerdem können bei induktiven Lasten auch immer unkontrollierbare Spannungsspitzen im Netzteil entstehen, die auf diese Weise vom Oszillatorteil ferngehalten werden.

Treiberstufe für MOSFET
Wegen der hohen Gatekapazität der MOSFETs können die schnellen Steuerströme durchaus beachtliche 1A übersteigen und eine leistungsstarke Treiberstufe erfordern. Da sowohl steigende (Gate-Ladung) wie auch fallende Flanken (Gate-Entladung) diese hohen Ströme aufbringen müssen, wird oft eine Gegentaktstufe nach Abb.11 verwendet (siehe Hochspannungsgenerator). Desweiteren sind MOSFETs auch sehr empfindlich gegenüber zu hohe oder zu niedrige Gate-Spannungen, und es sollte in jedem Fall eine Zenerdiode vorgeschaltet werden, auch wenn die Treiberspannungen deutlich innerhalb der kritischen Gategrenzen liegen. Die bei Funkenüberschlägen oder Kurzschlüssen zeitweise auftretenden chaotischen Zustände der Schaltung können durchaus zerstörerische Über- oder Unterspannungen hervorrufen. Auch wenn kleinere innere Schäden nicht unbedingt das sofortige Aus der MOSFET bedeuten mögen, so führen sie jedoch meist längerfristig zu Veränderungen, die schließlich doch die Endstufe zerstören.


Natürlich gibt es -wie für fast alles- auch unzählige fertig integrierte Schaltkreise, teils zur Ansteuerung von Gegentaktstufen, teils mit im gemeinsamen Gehäuse untergebrachten Leistungsstufen, mit Feedback-Regelung usw., die diese Aufgaben im kommerziellen Bereich erfüllen. Für einfache Anwendungsschaltungen oder Experimentierzwecke sind sie jedoch wegen den üblichen Ersatz- oder Beschaffungsproblemen meist ungeeignet.

PWM Pulse Width Modulation, copyright 2006: Claude Jacobs, G.-D. of Luxembourg

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